基于CFD 的礦用自激振蕩噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究*

張有志，郭煒舟，孫孝華，史紀(jì)飛，薛景輝，王亮

(1.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯市 152600；2.山東科技大學(xué)，機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島市 266590)

*基金項(xiàng)目：中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2016M602163)；中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司安全研發(fā)基金項(xiàng)目(ZTMT-2020-02-0862).

0 引言

伴隨5G 時(shí)代的到來，煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè)程度不斷提高，煤礦開采量也在不斷加大，隨之而來的是開采、運(yùn)輸過程中的塵污染加劇，已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的生產(chǎn)安全和人身健康問題[1-5]。目前礦井下還是以濕式噴霧降塵為主，噴嘴作為主要的噴霧部件也在不斷發(fā)展，其噴霧性能直接影響著降塵效率[6-9]。陳明等[10]建立了礦用X 旋流壓力噴嘴霧滴預(yù)測模型，采用正交實(shí)驗(yàn)方法得出了噴嘴霧滴速度與各影響因素之間的作用規(guī)律；溫祿淳、趙亦男等[11-12]設(shè)計(jì)了一種結(jié)合自激振蕩的高效霧化噴嘴，通過數(shù)值仿真方法，對(duì)其內(nèi)部碰撞壁角度進(jìn)行研究，確定60°～70°為最優(yōu)碰撞壁角度；李洪喜等[13]利用哈特曼流體聲波發(fā)生器原理,建立超聲激振噴嘴霧化模型，利用CFD 流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件模擬噴嘴內(nèi)部的流場，確定了噴距L=1 mm，碰撞壁角度0°時(shí)超聲激振噴嘴霧化效果最好。

本文通過流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件FLUENT 對(duì)一種礦用的自激振蕩噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真研究，主要研究其噴嘴振蕩、腔內(nèi)的射流嘴長度、射流嘴長徑比以及噴嘴入射口直徑對(duì)噴嘴整體內(nèi)部流場及霧化效果的影響。

1 模型構(gòu)建

1.1 物理模型構(gòu)建

自激振動(dòng)噴嘴是一種靠自身結(jié)構(gòu)不需要另加激振源的新型流體動(dòng)力式霧化噴嘴，整體是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，主要由入射口、碰撞壁、斜壁、射流嘴、腔室?guī)讉€(gè)重要部分組成，每個(gè)結(jié)構(gòu)的參數(shù)都會(huì)對(duì)噴嘴霧化效果產(chǎn)生影響[13]。運(yùn)用Soildwork 繪圖軟件對(duì)噴嘴進(jìn)行平面繪圖，其二維平面結(jié)構(gòu)模型見圖1。

圖1 自激振噴嘴二維模型

1.2 噴嘴數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

噴嘴的工作介質(zhì)是水，作為不可壓縮流體，遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律，一般用連續(xù)性方程和動(dòng)量方程進(jìn)行描述[9-10]。自激振噴嘴腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生漩渦和壓力梯度，對(duì)于模擬有漩渦和壓力梯度的復(fù)雜流動(dòng)模型，標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 模型會(huì)有缺陷，為提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度，此次仿真選取k-εRNG 模型，該模型考慮了湍流漩渦，其可靠性好、效率高，同時(shí)還提高了計(jì)算精度[11]。

連續(xù)性方程：

式中，ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；ui為流體運(yùn)動(dòng)速度，m/s；xi為位移，m。

N-S 動(dòng)量守恒方程：

式中，p為靜壓，Pa；vi為速度分量，m/s。

k-ε RNG 湍流方程：

式中，Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能；ε為湍動(dòng)耗散率；C1ε、C2ε為常數(shù)，C1ε=1.43；C2ε=1.78；αk、αε為有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)，αk=1.0；αε=1.4。

2 FLUENT 模擬仿真

2.1 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

將繪制好的噴嘴計(jì)算域模型導(dǎo)入Workbench 中的Meshing 網(wǎng)格劃分模塊進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，對(duì)射流口局部進(jìn)行加密處理，劃分好的網(wǎng)格數(shù)為9765 個(gè)左右，節(jié)點(diǎn)數(shù)為10118 個(gè)左右，如圖2 所示，總體網(wǎng)格質(zhì)量均在0.85 以上，完全符合計(jì)算模擬要求。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件設(shè)定

將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入到流體仿真軟件FLUENT 進(jìn)行邊界條件設(shè)置，將入射口設(shè)置為壓力入口，將噴嘴兩邊的噴出口設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓出口，其壓力為101 325 Pa，其余壁面全部設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)壁面；壓力入口和壓力出口湍流強(qiáng)度分別設(shè)置為3.5%、4%；水力直徑分別設(shè)置為0.45 mm、0.2 mm。求解方法見表1。

表1 求解方法

3 仿真及結(jié)果分析

邊界條件設(shè)定完成后進(jìn)行仿真計(jì)算，將仿真結(jié)果導(dǎo)入到CFD-Post 中進(jìn)行后處理，得到激振噴嘴腔內(nèi)速度云圖以及壓力分布云圖，分別如圖3、圖4、圖5 所示。由圖3 可以看出，當(dāng)水流從射流口噴出后，水流直接射向碰撞壁，當(dāng)水流與碰撞壁發(fā)生撞擊后，一部分水流發(fā)生反射，與射流口高速水流碰撞產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)頻率很大時(shí)，便產(chǎn)生了超聲波[14-15]，水粒由于撞擊和超聲波的雙重影響，不斷破碎成更小的霧滴顆粒。另一部分水流沿著壁面向上、向下運(yùn)動(dòng)，在噴嘴腔室內(nèi)產(chǎn)生充滿腔室的渦旋，由于渦旋的產(chǎn)生會(huì)加大腔室內(nèi)水流的湍流擾動(dòng)，湍流擾動(dòng)的加大進(jìn)一步增加了噴嘴的霧化效果。由圖3、圖4 可以看出，水流從射流口射出后，水流的速度迅速增加，與碰撞壁碰撞后，速度降低產(chǎn)生渦旋，速度成層狀分布，沿著壁面速度較高，但渦旋的環(huán)形向內(nèi)速度呈現(xiàn)降低趨勢。由圖5 可以看出，由于渦旋的存在，渦旋中心壓力明顯比外圈壓力小，這種壓力差會(huì)使水分子間的作用力被破壞，進(jìn)一步增強(qiáng)水顆粒的霧化效果。

圖3 速度矢量云圖

圖4 速度分布云圖

圖5 壓力分布云圖

3.1 射流嘴長度對(duì)霧化的影響

噴嘴內(nèi)部每一個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)噴嘴的整體霧化都會(huì)有影響，為研究噴嘴腔內(nèi)射流嘴長度對(duì)霧化的影響，分別選擇了1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm、4 mm 共6 組射流嘴長度進(jìn)行仿真，得到了不同壓力下、不同長度的射流嘴、噴嘴腔內(nèi)最大湍流動(dòng)能的變化趨勢，如圖6 所示。

圖6 射流嘴不同長度下的最大湍流動(dòng)變化趨勢

由圖6 可以看出，入口壓力對(duì)于腔內(nèi)湍流動(dòng)能影響較大，入口壓力每增加1 MPa，湍流動(dòng)能會(huì)相應(yīng)增大20 m2/s2左右；同時(shí)在同一壓力下，隨著射流嘴長度的增加，最大湍流動(dòng)能呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，射流嘴長度為1.5 mm 時(shí)，湍流動(dòng)能達(dá)到最大，霧化效果達(dá)到最優(yōu)。

3.2 射流嘴長徑比對(duì)霧化的影響

固定選取射流嘴為1.5 mm，入口壓力為6 MPa，分別對(duì)射流嘴長徑比為1，1.5，2 的噴嘴進(jìn)行仿真模擬，分別得到各自的腔內(nèi)湍流動(dòng)能強(qiáng)度云圖，如圖7 所示。

圖7 不同長徑比腔內(nèi)湍流動(dòng)能云圖

由圖7 可以看出，長徑比增加，最大湍流動(dòng)能也隨之增加，長徑比為1，最大湍流動(dòng)能為74.73 m2/s2，當(dāng)長徑比為1.5 時(shí)，最大湍流動(dòng)能會(huì)激增到108.5 m2/s2，當(dāng)長徑比為2 時(shí)，最大湍流動(dòng)能相比于長徑比為1.5 時(shí)變化僅有1.7 m2/s2，因此，長徑比盡量大于1.5，這樣湍流動(dòng)能大，湍流效果好，霧化效率高。

3.3 入射口直徑對(duì)霧化的影響

為探究入射口直徑對(duì)霧化的影響，在保持射流嘴長度為1.5 mm、長徑比為2、入射口壓力為6 MPa不變情況下，分別選取6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm 作為入射口直徑進(jìn)行模擬仿真，得到不同直徑下，腔內(nèi)湍流強(qiáng)度和出口速度變化趨勢如圖8所示。

圖8 不同入射口直徑下速度與湍流動(dòng)能

由圖8 可以看出，隨著入射口直徑的增大，出口速度和湍流動(dòng)能都產(chǎn)生了明顯的減小趨勢，在入射口直徑為10 mm 以下時(shí)，湍流動(dòng)能和出口速度下降趨勢較為平緩，入射口直徑為10 mm 到12 mm時(shí)，出口速度發(fā)生驟減，變化幅度超過20 m/s，因此為保持霧化效果，盡量選取8～10 mm 的入射口直徑。

4 結(jié)論

（1）自激振蕩噴嘴腔內(nèi)部的湍流動(dòng)能受入射口壓力影響較大，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)盡量結(jié)合實(shí)際情況選擇6 MPa 以上的壓力作為入射水壓。同時(shí)隨著射流嘴的長度增加，腔內(nèi)湍流動(dòng)能會(huì)出現(xiàn)先增加后降低的趨勢，同一壓力下湍流動(dòng)能最大值出現(xiàn)在射流嘴長度為1.5 mm 處，因此射流嘴長度為1.5 mm 時(shí)，霧化效果最好。

（2）射流嘴長度和水壓一定時(shí)，射流嘴的長徑比對(duì)霧化效果有較大影響，隨著長徑比的增加，湍流動(dòng)能不斷增大，當(dāng)長徑比大于1.5 時(shí)，湍流效果、霧化效果明顯優(yōu)于長徑比小于1 的噴嘴，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)盡量選取長徑比為1.5～2。

（3）噴嘴的水流入射口直徑對(duì)自激振蕩噴嘴的腔內(nèi)湍流強(qiáng)度以及噴嘴出口的最大速度有較為明顯的影響，隨著入射口直徑增加，湍流動(dòng)能以及出口速度都會(huì)降低，尤其對(duì)出口速度影響最為明顯。綜合考慮湍流動(dòng)能和出口速度的影響，盡量選取8～10 mm 的入射口直徑，以達(dá)到最優(yōu)的霧化效果。